混凝土作为最重要的建筑材料之一而被广泛地用于水工结构中,其中混凝土裂纹的萌生和发育过程控制着混凝土结构的安全性并决定着混凝土结构的生命周期。一方面,复杂运行环境下混凝土裂纹的控制是水利工程安全运行的关键问题之一,急需对更低尺度下混凝土裂纹的扩展进行更深入的研究。另一方面,由于周边复杂的国际形势和西南地区的广泛分布的活动地震带,高坝混凝土裂纹在动力荷载作用下的演化过程也受到越来越多的关注。尽管如此,目前国内外对于混凝土裂纹在复杂的环境和极端荷载条件下的发育过程仍无成熟的结论。混凝土作为已知的最复杂的无机复合材料,其细观结构、微观结构甚至纳观结构均具有各自独特的结构形式。由于其结构上多尺度的特点,起源于微纳观缺陷的混凝土裂纹的发育过程自然地受不同尺度下的材料结构的影响而展现出随尺度而变化的特点。为更深入地研究不同尺度和不同加载条件下混凝土裂纹的扩展过程,本文采用连续-离散耦合分析方法、近场动力学以及分子动力学等数值模拟手段揭示了细观、微观和纳观尺度下混凝土裂纹的静动力扩展规律。主要研究内容有以下方面:一、分别提出了复合破坏模式下的率相关内聚力模型的二维和三维形式,并由此建立基于连续-离散耦合分析方法的二维和三维混凝土细观数值模型。通过模拟霍普金斯杆层裂实验,验证了所提出的率相关的混凝土细观数值模型的准确性和有效性。并通过研究砂浆和界面过渡区微裂纹的时空分布,揭示了高应变率下混凝土细观裂纹的演化过程。结合一系列的细观数值实验,发现界面过渡区的力学性质、骨料体积分数和孔隙率等细观结构都不同程度地控制着裂纹的空间分布和几何形状,而应变率控制着裂纹的密度、分布范围和连通程度。最后,基于上述分析,进一步探讨了霍普金斯杆层裂实验在测量混凝土动态抗拉强度时的局限性。二、采用近场动力学方法,模拟了微观尺度下水泥浆等非均质多相复合材料的单轴拉伸破坏过程。水泥浆被近似为含球形夹杂相的复合材料。为考虑水泥不同成分、配比引起的夹杂相的性能演化,本文研究了夹杂相的力学性能的变化对微观尺度下裂纹扩展的影响。研究表明,夹杂相的弹性模量和断裂韧度的变化可以显著地影响微观裂纹的扩展模式,并通过改变裂纹面的几何形貌和材料的有效粘结能的方式改变材料整体的断裂能的大小。此外,本文指出,通过合理地选择夹杂相和基体的力学参数可以驱使微观裂纹沿断裂韧度更高的区域扩展,进而提升材料的断裂韧性。三、在巨正则系综下,通过蒙特卡洛方法模拟水化硅酸钙（C-S-H）纳米颗粒在等化学势下集聚成簇的过程,生成不同分散度和堆积密度的纳米尺度C-S-H凝胶体。采用分子动力学计算了不同分散度和堆积密度的C-S-H凝胶体在300K等温条件下的单轴拉伸破坏。研究表明,在纳观尺度下C-S-H凝胶体的裂纹扩展过程中伴随着大量的C-S-H颗粒的转动、滑移和跃迁过程,导致裂纹尖端钝化并伴随着孔洞的生长、合并等复杂过程,而应力应变曲线表现为显著的应变软化。四、采用能量最小化方法模拟了C-S-H凝胶体在绝热、准静态条件下的裂纹扩展过程。使用溢出熵定义C-S-H凝胶体结构的无序程度,并发现其无序程度通过影响剪切过渡区的形成进而影响C-S-H凝胶体裂纹扩展过程中塑性耗散能的大小。通过激发-弛豫技术,本文进一步分析揭示了结构控制材料脆韧转化行为的内在物理根源。分析结果指出,无序程度决定了C-S-H颗粒跳出初始状态且发生结构重组所需跨越的能量壁垒,而能量壁垒的大小与剪切过渡区内的塑性变形大小呈指数关系,并最终决定了C-S-H凝胶体塑性耗散能的大小。